Исследователи создают новые муаровые материалы на нанометровом уровне с помощью передовых методов ДНК-нанотехнологий. ДНК-суперрешётки муарового типа образуются, когда две периодические решётки ДНК накладываются друг на друга с небольшим поворотом или смещением по позиции. Это создаёт новую, более крупную интерференционную картину с совершенно другими физическими свойствами.
Новый подход, разработанный исследователями из Штутгартского университета и Института исследования твёрдых тел Общества Макса Планка, не только упрощает сложное построение этих суперрешёток, но и открывает совершенно новые возможности для проектирования на наноуровне. Исследование было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.
Муаровые суперрешётки стали центральным элементом современных исследований конденсированных сред и фотоники. Однако реализация таких структур обычно включает в себя деликатные и трудоёмкие этапы изготовления, включая точное выравнивание и перенос предварительно изготовленных слоёв в строго контролируемых условиях. «Наш подход устраняет традиционные ограничения при создании муаровых суперрешёток», — говорит профессор Лаура На Лю, директор Второго физического института Штутгартского университета.
«В отличие от традиционных методов, основанных на механическом сложении и скручивании двумерных материалов, наша платформа использует процесс сборки снизу вверх», — объясняет профессор Лю. Процесс сборки относится к связыванию отдельных нитей ДНК для формирования более крупных упорядоченных структур. Он основан на самоорганизации: нити ДНК соединяются друг с другом без внешнего вмешательства, исключительно за счёт молекулярных взаимодействий. Исследовательская группа из Штутгарта использует эту особенность.
«Мы кодируем геометрические параметры суперрешётки — такие как угол вращения, расстояние между подрешётками и симметрию решётки — непосредственно в молекулярную структуру начальной структуры, известной как зародыш нуклеации. Затем мы позволяем всей архитектуре самособираться с нанометровой точностью», — говорится в исследовании.
Зародыш действует как структурный чертёж, направляя иерархический рост двумерных ДНК-решёток в точно скрученные бислои или трислои, и всё это достигается за один этап сборки в фазе раствора.
Хотя муаровые суперрешётки широко исследовались на атомном (ангстремном) и фотонном (субмикронном) масштабах, промежуточный нанометровый режим, где сходятся как молекулярная программируемость, так и функциональность материала, оставался в значительной степени недоступным. Исследователи из Штутгарта закрыли этот пробел своим текущим исследованием. Команда объединяет две мощные ДНК-нанотехнологии: ДНК-оригами и сборку из однонитевых плиток (SST).
Используя эту гибридную стратегию, исследователи создали суперрешётки микрометрового масштаба с размерами элементарной ячейки всего 2,2 нанометра, с настраиваемыми углами скручивания и различными симметриями решётки, включая квадратную, кагоме и сотовую. Они также продемонстрировали градиентные муаровые суперрешётки, в которых угол скручивания и, следовательно, периодичность муарового рисунка непрерывно изменяется по всей структуре.
«Эти суперрешётки демонстрируют чётко определённые муаровые узоры под просвечивающей электронной микроскопией, причём наблюдаемые углы скручивания точно соответствуют углам, закодированным в ДНК-оригами», — отмечает соавтор профессор Питер А. ван Акен из Института исследования твёрдых тел Общества Макса Планка.
Исследование также представляет новый процесс роста муаровых суперрешёток. Процесс инициируется пространственно определёнными захватными нитями на ДНК-зародыше, которые действуют как молекулярные «крючки» для точного связывания SST и направления их межслойного выравнивания. Это позволяет контролировать формирование скрученных бислоёв или трислоёв с точно выровненными подрешётками SST.
Их высокое пространственное разрешение, точная адресуемость и программируемая симметрия наделяют новые муаровые суперрешётки значительным потенциалом для различных применений в исследованиях и технологиях. Например, они являются идеальными каркасами для наномасштабных компонентов, таких как флуоресцентные молекулы, металлические наночастицы или полупроводники в индивидуальных 2D- и 3D-архитектурах.
При химической трансформации в жёсткие каркасы эти решётки могут быть использованы в качестве фононных кристаллов или механических метаматериалов с настраиваемыми вибрационными характеристиками. Их пространственная градиентная конструкция также открывает возможности для трансформационной оптики и градиентно-индексных фотонных устройств, где муаровая периодичность может направлять свет или звук по контролируемым траекториям.
Одно из особенно перспективных применений — спин-селективный электронный транспорт. Было показано, что ДНК действует как спиновый фильтр, и эти хорошо упорядоченные суперрешётки с определёнными симметриями муарового типа могут служить платформой для изучения топологических явлений спинового транспорта в высокопрограммируемой среде.
«Речь идёт не о подражании квантовым материалам, — говорит профессор Лю. — Речь идёт о расширении пространства проектирования и создании возможности для построения новых типов структурированных веществ снизу вверх, с геометрическим контролем, встроенным непосредственно в молекулы».